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1、华中科技大学 硕士学位论文 波前处理机中的Hartmann技术研究 姓名：朱守深 申请学位级别：硕士 专业：光学工程 指导教师：陈海清 20061020 I 摘 要 基于自适应光学的波前处理机是集科学性和工程性为一体的综合性技术， 它研究实 时自动改善光波波前质量的理论、系统、技术和工程，它具有传统光学系统所无法比拟 的优越性能，在开发高质量的观测系统和成像系统领域有着非常广泛的应用前景。 在对远距离的目标成像或光路处于非均匀介质中时， 大气湍流等动态干扰使光波面 相位发生畸变，使光学系统成像模糊，分辨率无法达到其衍射极限，利用波前处理机对 光波面进行实时检测，波前复原，使用 MEMS 微变型
2、镜能动可变的调整光学系统，从 而有效解决了动态干扰问题。基于 Hartmann 技术的波前探测与校正系统具有体积小， 成本低，能耗低，响应快及集成度高等特点，成为现代光学发展的主流方向。 本论文从传统的自适应光学理论入手， 分析了传统的光学系统对远距离目标成像变 模糊的原因，比较了几种波前处理机制的优缺点，提出了波前处理机中关键技术的解决 方法，建立了基于 Hartmann 技术的波前处理系统。根据本课题的实际需要，确定了微 透镜阵列、CCD、微变形镜等关键器件的选型，利用检测设备对激光光源和微透镜阵列 进行了检测；在系统闭环实验中，讨论了波前处理机探测的结果，并对结果进行了误差 分析，并给出
3、了建立实际波前处理机系统的建议。 论文共分七章，第一章是概述，分析了光学系统对远目标成像质量变差的原因，探 讨了几种典型的自适应光学系统，提出了课题的来源。第二章波前处理机的关键技术， 回顾了国内外研究的现状及前景，重点阐述了波前处理机中的关键技术：波前探测、波 前校正、波前重构以及波前控制。第三章基于 Hartmann 技术的波前处理机，具体讨论 了基于 Hartmann 技术的微透镜探测阵列原理，质心分析以及影响探测的理论和实际因 素。第四章波前探测器 Hartmann 探测阵列实验及结果分析，给出了系统硬件选型，对 整个系统测试过程和结果进行了总结，并提出了一些完善改进方案。 关键词关键
4、词：哈特曼 波前探测 自适应光学 波前校正 II ABSTRACT Adaptive Optics is an all-round subject with science and engineering included. It studies the theory, system, technology and project of automatic wavefront-correction. It has the excellent performance beyond the conventional optical system. And it has a wide applica
5、tion foreground in military affairs and popular area. The resolution of optical system can not reach its diffraction limit because of the phase aberrations caused by atmospheric turbulence and other wavefront errors. Adaptive optics technology uses deformable mirrors to perform dynamic phase modulat
6、ion and endow optical system the ability to decrease the influence of dynamic wavefront errors. Micromirrors offer advantages in size, weight, speed and performance over the traditional deformable mirrors and have tremendous potential in reducing the cost and weight of adaptive optical systems. Base
7、d on fundamental theory, the thesis analyses the main components in adaptive optical system. According to the reality of the experiments, we choose the type of deformable mirror. In our experiments, we choose one kind of deformable mirrors with 37 electrodes. This kind of deformable mirror has a low
8、 remainder stress and excellent surface quality that measure up the demands of experiments. In the part of analysis, we have a research in influence function and voltage-deflection. Finally we deduce the voltage control matrix and correct the static wavefront aberration. The thesis is composed of se
9、ven chapters. Chapter One mainly introduces the source, and significance of the project, and expounds on the studies in the field both domestically and internationally. Chapter Two gives academic about adaptive optics and ground the design of adaptive optical system. Chapter Three gives the importan
10、t technology parameter about deformable mirror. According to the practicality, we select the type of deformable mirror in experiments. Chapter Four studies the influence function of deformable mirror and deduces the voltage controlling matrix. Chapter Five finished the close loop correction ability
11、of whole 37-element adaptive optical system based on the computer. Chapter Six gives the summary of the whole thesis. Also some suggestions are proposed to solve the existing problems in the system. Keywords: Hartmann wavefront detection adaptive optics wavefront correction 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师
12、指导下进行的研究工作及取得的 研究成果。尽我所知，除文中已经标明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人 或集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体，均已 在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名： 日期： 年 月 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留 并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授 权华中科技大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索， 可以采 用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 保密，
13、在 年解密后适用本授权书。 不保密。 (请在以上方框内打“”) 学位论文作者签名： 指导教师签名： 日期： 年 月 日 日期： 年 月 日 本论文属于 1 1 概 述 传统的光学理论认为：望远系统的视场角和角放大倍率是一对矛盾，一个实用的光 学系统如果要求具有较大的放大倍率，则其视场角相对较小；例如军用 62 式 8 倍望远 镜，它的视场角是 820，角放大倍率是 8 倍；而 65 式 25-40 倍变倍望远镜的视场角 是 230（25 倍） 、130（40 倍） 。是否可以无限制的增加系统的角放大倍率或减 小视场角来获得更加逼真、清晰的成像呢？从几何光学的角度看应该是没有问题的，因 为它认为
14、理想光学系统对点物成的是点像， 但是实际的光学系统由于衍射现象的存在使 得它对“点物”成的并不是“点像” ，而是一个夫琅和费衍射图样；图样中心爱里斑的 半径可用公式 r=1.22f/D 来计算，如焦距 f 为 120mm，物镜直径为 30mm，白光照射取 波长为 546.1nm， 则点物通过此光学系统后成的像为半径 0.0025mm 的爱里斑； 是否可 以分辨开两个邻近的点物成的像可以用瑞利判据来判定。 这样就造成了一个实际的光学 系统不能无限分辨像的细节，而受到衍射极限的限制。 从上面的公式我们可以看出，爱里斑的半径大小和物镜的直径成反比，和物镜的焦 距成正比。实际的光学系统由于成像距离较近
15、，通过增加物镜的口径或减小光学系统的 焦距可以达到足够满足需求的分辨力。 那么我们是否可以通过无限增大 D 或者减小 f 来 达到清晰成像的目的呢？天文望远镜把口径做成 56 米，目的就是要更有效的收集能 量，增大它的分辨力；但是当口径大到一定程度，分辨力小到某一数值时时，实际的光 学系统并不能达到预计的分辨力，因为大气湍流对成像质量影响严重。并且口径的增加 又会带来新的问题：如口径大于 4 米的镜面，要达到衍射极限如果按照常规设计则系统 达 20 吨，一方面使望远镜笨重，一方面使望远镜产生严重的弯沉而产生慧差和像散， 同时造价和研制周期长；实际中普通的望远镜在战场上用的最好的是苏式 7 倍望
16、远镜， 因为它的视场较大，成像清晰，且便于捕捉住目标；当望远镜的角放大倍率超过 15 倍 时，由于视场角太小，手的抖动就会目标轻易的“跑”出视场而不得不采用固定式；当 角放大倍率超过 40 倍时，即使再加大物镜的通光口径也不能达到理论计算的衍射极限 了，相反还会出现“相去渐远”的现象，原因就是目标反射回来的光线经过大气传播时 受到大气湍流的影响而改变了直线传播的路径， 使得我们的几何光学或物理光学赖以存 2 在的前提 “大气是一种均匀的介质” 已不复存在了， 我们甚至可以看到 “大气蒸腾” ， 在很长一段时间里，人们认为要想达到“衍射极限”是一个不可逾越的鸿沟。 为了解决这一问题，巴布柯克于 1953 年提出了自适应光学（Adaptive Optics）的 概念。 他提出用实时测量大气湍流波前误差并加以实时补偿的方法来解决大气湍流等动 态干扰的思想。其设想的核
